3. Средства программирования и отладки микроконтроллеров

3. Средства программирования и отладки микроконтроллеров.
Инструментальные и программные средства. Внутрисхемный
эмулятор, принцип работы. Классификация внутрисхемных
эмуляторов. Дизассемблеры MCS-51. Макроассемблер. Компоновщик.
Отладчик/симулятор. Подсистема точек останова. Процессор точек
останова. Трассировщик. Профилировщик. Интегрированная среда
разработки.
О правильности функционирования микропроцессорной системы на уровне "черного
ящика" с полностью неизвестной внутренней структурой можно говорить лишь тогда,
когда произведены ее испытания, в ходе которых реализованы все возможные
комбинации входных воздействий, и в каждом случае проверена корректность ответных
реакций. Однако исчерпывающее тестирование имеет практический смысл лишь для
простейших элементов систем. Следствием этого является тот факт, что ошибки
проектирования встречаются при эксплуатации, и для достаточно сложных систем нельзя
утверждать об их отсутствии на любой стадии жизни системы. В основе почти всех
методов испытаний лежит та или иная гипотетическая модель неисправностей,
первоисточником которой служат неисправности, встречающиеся в практике. В
соответствии с моделью в рамках каждого метода предпринимаются попытки создания
тестовых наборов, которые могли бы обеспечить удовлетворительное выявление
моделируемых неисправностей. Любой метод тестирования хорош ровно настолько,
насколько правильна лежащая в его основе модель неисправности.
Важным моментом является правильный выбор соотношения между степенью общности
модели, стоимостью и степенью сложности формирования и прогона тестов,
ориентированных на моделируемые неисправности. Чем конкретнее модель, тем легче
создать для нее систему тестов, но тем выше вероятность того, что неисправность
останется незамеченной. Если же модель неисправностей излишне общая, то из-за
комбинаторного возрастания числа необходимых тестовых наборов и/или времени
вычислений, требуемого для работы алгоритмов формирования тестов, она станет
непрактичной и пригодной только для несложных систем.
Обнаружение ошибки и диагностика неисправности
Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия для
возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть, в свою
очередь, передан на выход испытуемого объекта, для того чтобы сделать неисправность
наблюдаемой. Метод испытаний должен позволить генерировать тесты, ставящие
испытуемый объект в условия, при которых моделируемые неисправности проявляли бы
себя в виде обнаруживаемых ошибок. Если испытуемый объект предназначен для
эксплуатации, то при обнаружении ошибки необходимо произвести локализацию
неисправности с целью ее устранения путем ремонта или усовершенствования
испытуемого объекта.
Диагностика неисправности - процесс определения причины появления ошибки по
результатам тестирования.
Отладка - процесс обнаружения ошибок и определение источников их появления по
результатам тестирования при проектировании микропроцессорных систем. Средствами
отладки являются приборы, комплексы и программы.
Точность, с которой тот или иной тест локализует неисправности, называется его
разрешающей способностью. Требуемая разрешающая способность определяется
конкретными целями испытаний. Например, при испытаниях аппаратуры в процессе
эксплуатации для ее ремонта часто необходимо установить, в каком сменном блоке
изделия имеется неисправность. В заводских условиях желательно осуществлять
диагностику неисправности вплоть до уровня наименьшего заменяемого элемента, чтобы
минимизировать стоимость ремонта. В лабораторных условиях в процессе отладки
опытного образца необходимо определять природу неисправности (физического или
нефизического происхождения). В случае возникновения и проявления дефекта требуется
локализовать место неисправности с точностью до заменяемого элемента, а при
проявлении субъективной неисправности - с точностью до уровня представления
(программного, схемного, логического и т. д.), на котором была внесена неисправность, и
места. Так как процесс проектирования микропроцессорной системы содержит
неформализуемые этапы, то отладка системы предполагает участие человека.
Свойство контролепригодности системы.
Успех отладки зависит от того, как спроектирована система, предусмотрены ли свойства,
делающие ее удобной для отладки, а также от средств, используемых при отладке. Для
проведения отладки проектируемая микропроцессорная система должна обладать
свойствами управляемости, наблюдаемости, предсказуемости.
Управляемость - свойство системы, при котором ее поведение поддается управлению, т.
е. имеется возможность остановить функционирование системы в определенном
состоянии, и затем снова ее запустить.
Наблюдаемость - свойство системы, позволяющее проследить за поведением системы,
сменой ее внутренних состояний.
Предсказуемость - свойство системы, позволяющее установить систему в состояние, из
которого все последующие состояния могут быть предсказаны.
Функции средств отладки
Сроки и качество отладки системы зависят от средств отладки. Чем совершеннее
приборы, имеющиеся в распоряжении инженера-разработчика, тем скорее можно начать
отладку аппаратуры и программ и тем быстрее обнаружить ошибки, локализовать
источники, устранение которых обойдется дороже на более позднем этапе
проектирования.
Средства отладки должны:
 управлять поведением системы или/и ее модели на различных уровнях
абстрактного представления
 собирать информацию о поведении системы или/и ее модели, обрабатывать и
представлять на различных уровнях абстракции
 преобразовывать системы, придавать им свойства контролепригодности
 моделировать поведение внешней среды проектируемой системы.
Под управлением поведением системы или ее модели понимаются определение и
подача входных воздействий для запуска или останова системы или ее модели, для
перевода в конкретное состояние последних. Чтобы определить место субъективной
неисправности, которая может быть внесена на любой стадии проектирования,
необходимо уметь собирать информацию о поведении системы и представлять ее в тех
формах, которые приняты для данного проекта. Например, это могут быть временные
диаграммы, принципиальные электрические схемы, язык регистровых передач,
ассемблер и др.
В общем случае нельзя локализовать источник ошибки проектируемой системы, имея
информацию о поведении системы только на ее внешних выводах, поэтому
проектируемую систему преобразовывают. Например, прежде чем изготовлять
однокристальную микроЭВМ с теми или иными "зашивками" ПЗУ, программы
отлаживают на эмуляционном кристалле, у которого магистраль выведена на внешние
контакты и вместо ПЗУ установлено ОЗУ.
Автономная отладка
Процесс отладки прототипа проектируемой системы должен начинаться с отладки
аппаратуры и отладки программ.
Отладка аппаратуры предполагает тестирование отдельных устройств
микропроцессорной системы - процессора, ОЗУ, контроллеров, блока питания,
генератора тактовых импульсов путем подачи тестовых входных воздействий и приема
ответных реакций. Тестовые входные воздействия и ответные реакции определяются,
исходя из спецификаций на устройства, а также структурных схем устройств. При этом
проверяются реальная аппаратура прототипа, спецификации, структурные схемы и
отлаживаются тесты. После отладки отдельных устройств проверяется их взаимодействие.
Процессор системы работает с шинами адресов, данных и управления. Анализируя их
сигналы, можно проконтролировать выполнение программы в процессоре.
Поскольку ША и ШД синхронные, их работу лучше всего проверить с помощью методов
логических состояний. Перед анализом последовательностей данных на этих шинах
необходимо удостовериться в том, что сигналы, управляющие взаимодействием
процессора с другими устройствами, выдаются в соответствующем порядке. Поскольку
ШУ состоит из линий, работающих асинхронно, необходимо просматривать сигналы
многих линий в течение одного и того же промежутка времени. Для анализа асинхронной
работы линий управления необходимо также наблюдать за сигналами на них при
возникновении определенного события, чтобы можно было четко разделить и
идентифицировать различные состояния линий. Например, среди сигналов ШУ могут быть
сигналы длительностью всего несколько наносекунд, но могут также возникать
кратковременные ложные узкие импульсы, вызванные перекрестными помехами или
шумами.
После того как доказана работоспособность ШУ, проводится дальнейшая проверка
работы аппаратуры при различных режимах адресации процессора и кодах выбираемых
данных. Для проверки выполнения процессором инструкций разрабатывается тестовая
программа, которая помещается в ОЗУ или ППЗУ. При этом проверяется временная
диаграмма сигналов и прохождения данных в системе (как осуществляется передача
информации по отношению к строб-сигналам). Если тестовая программа - системный
проверяющий тест, - пройдет успешно, можно утверждать, что автономно аппаратура
отлажена.
При автономной отладке аппаратуры могут потребоваться приборы, умеющие:
1. выполнять функции аналогового прибора, т. е. измерять напряжение и ток;
воспроизводить форму сигнала, подавать импульсы определенной формы и т. д.;
2. подавать последовательность сигналов одновременно на несколько входов в
соответствии с заданной временной диаграммой или заданным алгоритмом
функционирования аппаратуры, представленным в спецификации на языке
высокого уровня, или другим способом;
3. собирать значения сигналов многих линий в течение одного и того же промежутка
времени, который определяется задаваемыми, программируемыми событиями комбинацией или последовательностью сигналов на линиях, например, ложным
сигналом на линии;
4. обрабатывать и представлять собранную информацию либо в виде временной
диаграммы, либо в виде диаграммы или таблицы логических состояний, либо на
языке высокого уровня, например, языке регистровых передач.
Для автономной отладки аппаратуры широко используются осциллографы, вольтметры,
амперметры, частотомеры, генераторы импульсов, позволяющие отлаживать аппаратуру
на схемном уровне. Чтобы автономно отладить аппаратуру МПС на более высоком
уровне, применяют логические анализаторы, генераторы слов, пульты, комплексы
диагностирования.
Отладка программ
Отладка программ микропроцессорной системы проводится, как правило, на тех же ЭВМ,
на которых велась разработка программ, и на том же языке программирования, на
котором написаны отлаживаемые программы, и может быть начата на ЭВМ даже при
отсутствии аппаратуры МПС. При этом в системном программном обеспечении ЭВМ
должны находиться программы (интерпретаторы или эмуляторы), моделирующие
функции отсутствующих аппаратных средств. Так, разработка и автономная отладка
программных средств может вестись на больших ЭВМ, миниЭВМ, микроЭВМ, система
команд которых не совпадает с системой команд используемого микропроцессора.
Кроме того, при отладке программ может отсутствовать внешняя среда
микропроцессорной системы, ее также необходимо моделировать.
Проверка корректности программ, т.е. проверка соответствия их внешним
спецификациям, осуществляется тестированием. Программы проверяются на
функционирование с различными исходными данными. Результаты функционирования
программ сравниваются с эталонными значениями.
Отладка программ подразделяется на следующие этапы: планирование отладки;
составление тестов и задания на отладку; исполнение программ; информирование о
результатах исполнения программ по заданным исходным данным; анализ результатов,
обнаружение ошибок и локализация неисправностей.
Существует два способа начального тестирования программ:
 пошаговый режим
 трассировка программ.
В пошаговом режиме программа выполняется по одной команде за один раз, а
пользователь анализирует содержимое памяти, регистров и т.д., чтобы проверить,
соответствуют ли результаты ожидаемым. Пошаговый режим может быть трудоемким,
если средства отладки будут требовать отдельных команд после каждого шага для того,
чтобы показать необходимую информацию в понятном для пользователя виде. Имеются
средства отладки, автоматически показывающие после каждого шага содержимое
регистров процессора и ячеек памяти, используемых в последней команде, и несколько
следующих команд. Пошаговый режим является весьма мощным средством
предварительного тестирования, так как позволяет обнаруживать неисправности, прежде
чем они существенно исказят программу и данные. Кроме того, неоднократно проходя
отдельными шагами через один и тот же участок объектной программы, программист
может легко изменять содержимое регистров и ячеек памяти, особенно если средства
отладки имеют динамически обновляемый дисплей, и тем самым проверить работу
программы в разных условиях. Этот интерактивный режим отладки программы позволяет
разработчику постоянно упреждать, что будет делать его программа, и оперативно
обнаруживать ошибку. Однако пошаговый режим с автоматическим показом результатов
возможен только тогда, когда средства отладки содержат в своем составе дисплей с
прямым доступом в память, так как после каждого шага на экране дисплея нужно
показывать большой объем информации.
Исполнение программ осуществляется по шагам последовательно во времени и в
соответствии с заданиями, содержащимися в операторах. При этом производится
переработка значений переменных и определение оператора приемника. Если в ходе
исполнения программы регистрируется последовательность операторов, реализуемых на
каждом шаге процесса, то получается трасса или маршрут исполнения программы,
который для конкретной программы зависит только от значений исходных данных.
Трассировка программ больше пригодна для отладочных средств, имеющих медленный,
последовательный терминал. Программа-отладчик выполняет непрерывно команду за
командой и выводит содержимое регистров процессора на терминал после каждого шага.
Некоторые отладчики выводят также на терминал команды в дизассемблерной форме.
Но при этом способе содержимое памяти не выводится на терминал и разработчик
должен сам делать выводы об изменениях в ней. Отслеживание программы
продолжается автоматически до тех пор, пока не будет остановлено извне. Результатом
трассировки программы будут данные на экране дисплея или же в случае использования
в качестве терминала печатающего устройства - длинная распечатка с ходом выполнения
программы. Программист, анализируя эти данные, может обнаружить ошибки.
Трассировка программ не дает, однако, возможности изменять содержимое памяти и
регистров и может послужить причиной того, что программа разрушит себя или свои
данные прежде, чем отслеживание будет остановлено.
Отдельные участки программы после проверки, используя пошаговый режим или
трассировку, можно объединить и проверить с помощью установки контрольных точек,
вводимых в программу и прерывающих ее исполнение, для передачи управления
программе-отладчику. По контрольным точкам можно по желанию выполнить избранные
участки программы и проанализировать результаты. Контрольные точки устанавливаются
обычно для конкретной команды, но в некоторых системах предусматриваются
прерывания программы при чтении или записи данных в определенные ячейки памяти.
Возможны и более сложные условия прерывания программы.
Расстановка контрольных точек предполагает, что программист связывает с ней точный
адрес памяти. Для некоторых отладчиков программист задает абсолютный
шестнадцатеричный адрес. Последние отладчики допускают символьные значения
адресов, которые программист определяет в исходной программе; это позволяет
значительно экономить время, распечатывая после каждого редактирования и
транслирования программы новую копию листинга.
При тестировании можно планировать проверку всех возможных маршрутов исполнения
программы для разных исходных переменных. Однако это реализуемо только для очень
простых программ небольшого объема при малых диапазонах изменения исходных
данных. Поэтому при планировании отладки программ применяют критерии полноты
тестирования, которые, однако, не гарантируют полной проверки программ. Выбор
критерия зависит от наличия ресурсов для тестирования и структурной сложности
отлаживаемой программы. Критерии характеризуются глубиной контроля программ и
объемом проверок.
В процессе отладки основная часть неисправностей в программах обнаруживается и
затем устраняется. Однако всегда возможен пропуск нескольких неисправностей.
Средства отладки программ должны:
1. управлять исполнением программ (останавливать, изменять порядок, запускать и
т. д.)
2. собирать информацию о ходе выполнения программы
3. обеспечивать обмен информацией (диалог) между программистом и ЭВМ на
уровне языка программирования
4. моделировать работу отсутствующих аппаратных средств микропроцессорной
системы.
Комплексная отладка микропроцессорных систем
Как правило, микропроцессорная система - это система реального времени, т. е.
корректность ее функционирования зависит от времени выполнения отдельных программ
и скорости работы аппаратуры. Поэтому система считается отлаженной после того, как
рабочие программы правильно функционируют на действительной аппаратуре системы в
реальных условиях. Дополнительным свойством, которым должны обладать средства
комплексной отладки по сравнению со средствами автономной отладки, является
возможность управления поведением МПС и сбора информации о ее поведении в
реальном времени.
Тенденция развития средств отладки микропроцессорных систем состоит в объединении
свойств нескольких приборов в одном комплексе, в создании универсальных средств,
пригодных для автономной отладки аппаратуры, генерации и автономной отладки
программ и комплексной отладки системы. Эти средства позволяют вести разработку и
отладку, постепенно усложняя аппаратуру и программы. При этом разработка,
изготовление и отладка планируются поэтапно с нарастанием сложности; новая,
неотлаженная аппаратура и программа вводятся в создаваемую систему, присоединяются
к проверенной ее части.
Если отладка программ ведется с использованием эмуляционного ОЗУ, а затем
изготовляются микросхемы ПЗУ, то микропроцессорная система должна быть
протестирована.
Средства отладки на последних этапах не должны влиять на правильность
функционирования системы, вносить задержки, дополнительные нагрузки.
При комплексной отладке наряду с детерминированным используется статистическое
тестирование, при котором МПС проверяется при изменении исходных переменных в
соответствии со статистическими законами работы источников информации. Полнота
контроля работоспособности проектируемой системы возрастает за счет расширения
диапазона возможных сочетаний переменных и соответствующих им логических
маршрутов обработки информации.
Существуют пять основных приемов комплексной отладки микропроцессорной системы:
1. останов функционирования системы при возникновении определенного события
2. чтение (изменение) содержимого памяти или регистров системы
3. пошаговое отслеживание поведения системы
4. отслеживание поведения системы в реальном времени
5. временное согласование программ.
Комплексная отладка завершается приемосдаточными испытаниями, показывающими
соответствие спроектированной системы техническому заданию. Для проведения
комплексной отладки МПС используют логические анализаторы и комплексы: оценочные,
отладочные, развития микропроцессоров, диагностирования, средств отладки.
Отладчик
Отладчик является своеобразным мостом между разработчиком и отладочным
средством. Состав и объем информации, проходящей через средства ввода-вывода,
доступность ее для восприятия, контроля, и, при необходимости, для коррекции и
модификации напрямую зависят от свойств и качества отладчика.
Хороший отладчик позволяет осуществлять:
 Загрузку отлаживаемой программы в память системы;
 Вывод на монитор состояния и содержимого всех регистров и памяти, и при
необходимости, их модификацию;
 Управление процессом эмуляции.
 Более мощные отладчики, обычно их называют высокоуровневыми (High-Level
Debuggers), помимо этого, позволяют:
 Вести символьную отладку, благодаря тому, что отладчик “знает” адреса всех
символьных переменных, массивов и структур (за счет использования специальной
информации, поставляемой компилятором). При этом пользователь может
оперировать более приемлемыми для человека символьными именами, не
утруждая себя запоминанием их адресов;
 Контролировать и анализировать не только дисассемблированный текст, но и
исходный текст программы, написанной на языке высокого уровня, и даже с
собственными комментариями.
 Такой отладчик позволяет пользователю одновременно контролировать ход
выполнения программы и видеть соответствие между исходным текстом, образом
программы в машинных кодах, и состоянием всех ресурсов эмулируемого
микроконтроллера.

Следует отметить, что высокоуровневый отладчик обеспечивает выполнение всех
своих функций только в том случае, если используется кросс-компилятор,
поставляющий полную и правильную отладочную информацию (не все
компиляторы, особенно их пиратские версии, поставляют такую информацию) и
при этом формат ее представления должен быть “знаком” отладчику.
Симуляторы
Симулятор - программное средство, способное имитировать работу микроконтроллера и
его памяти. Как правило, симулятор содержит в своем составе:
 Отладчик;
 Модель ЦПУ и памяти.
Более продвинутые симуляторы содержат в своем составе модели встроенных
периферийных устройств, таких, как таймеры, порты, АЦП, системы прерываний.
Симулятор должен уметь загружать файлы программ во всех популярных форматах,
максимально полно отображать информацию о состоянии ресурсов симулируемого
микроконтроллера, а также предоставлять возможности по симуляции выполнения
загруженной программы в различных режимах. В процессе отладки модель “выполняет”
программу, и на экране компьютера отображается текущее состояние модели. Загрузив
программу в симулятор, пользователь имеет возможность запускать ее в пошаговом или
непрерывном режимах, задавать условные и безусловные точки останова,
контролировать и свободно модифицировать содержимое ячеек памяти и регистров
симулируемого микропроцессора. С помощью симулятора можно быстро проверить
логику выполнения программы, правильность выполнения арифметических операций.
В зависимости от класса используемого отладчика, различные симуляторы могут
поддерживать высокоуровневую символьную отладку программ.
Некоторые модели симуляторов могут содержать ряд дополнительных программных
средств, таких, например, как: интерфейс внешней среды, встроенную интегрированную
среду разработки.
В реальной системе микроконтроллер обычно занимается считыванием информации с
подключенных внешних устройств (датчиков), обработкой этой информации и выдачей
управляющих воздействий на исполнительные устройства. Чтобы в симуляторе не
обладающем интерфейсом внешней среды смоделировать работу датчика, нужно
вручную изменять текущее состояние модели периферийного устройства, к которому в
реальной системе подключен датчик. Если, например, при приеме байта через
последовательный порт взводится некоторый флажок, а сам байт попадает в
определенный регистр, то оба эти действия нужно производить в таком симуляторе
вручную. Наличие же интерфейса внешней среды позволяет пользователю создавать и
гибко использовать модель внешней среды микроконтроллера, функционирующую и
взаимодействующую с отлаживаемой программой по заданному алгоритму.
Очевидной особенностью программных симуляторов является то обстоятельство, что
исполнение программ, загруженных в симулятор, происходит в масштабе времени,
отличном от реального. Однако, низкая цена, возможность ведения отладки даже в
условиях отсутствия макета отлаживаемого устройства делают программные симуляторы
весьма эффективным средством отладки. Отдельно необходимо подчеркнуть, что
существует целый класс ошибок, которые могут быть обнаружены только при помощи
симулятора.
Трассировщик
В сущности, трассировщик представляет собой логический анализатор, работающий
синхронно с процессором и фиксирующий поток выполняемых инструкций и состояния
выбранных внешних сигналов. Существуют модели внутрисхемных эмуляторов, которые
позволяют трассировать не только внешние сигналы, но и состояния внутренних ресурсов
микроконтроллера, например, регистров. Такие эмуляторы используют специальные
версии микроконтроллеров (эмуляционные кристаллы).
Процессор точек останова
Процессор точек останова позволяет останавливать выполнение программы или
выполнять иные действия, например запускать или останавливать трассировщик при
выполнении заданных пользователем условий. В отличие от механизма обычных точек
останова, процессор точек останова позволяет формировать и отслеживать условия
практически любой степени сложности, и при этом эмулируемый процесс не выводится из
масштаба реального времени.
Профилировщик
Профилировщик (иначе анализатор эффективности программного кода) позволяет
получить по результатам прогона отлаживаемой программы следующую информацию:
 Количество обращений к различным участкам программы;
 Время, затраченное на выполнение различных участков программы.
 Анализ статистической информации, поставляемой профилировщиком, позволяет
легко выявлять “мертвые” или перенапряженные участки программ, и в результате
оптимизировать структуру отлаживаемой программы.
Аппаратные средства разработки и отладки микроконтроллеров.
К числу основных инструментальных средств отладки относятся:
 Внутрисхемные эмуляторы;
 Программные симуляторы;
 Платы развития (оценочные платы);
 Мониторы отладки;
 Эмуляторы ПЗУ.
Данный список не исчерпывает всех типов существующих инструментальных средств
отладки. Кроме указанных, существуют и комбинированные устройства и наборы,
которые позволяют компенсировать недостатки основных средств, взятых порознь.
Внутрисхемный эмулятор - программно аппаратное средство, способное замещать собой
эмулируемый процессор в реальной схеме. Внутрисхемный эмулятор - это наиболее
мощное и универсальное отладочное средство.
По сути дела, "хороший" внутрисхемный эмулятор делает процесс функционирования
отлаживаемого контроллера прозрачным, т.е. легко контролируемым, произвольно
управляемым и модифицируемым по воле разработчика.
Функционально внутрисхемные эмуляторы делятся на стыкуемые с внешней
вычислительной машиной (обычно это бывает IBM PC), и функционирующие автономно.
Автономные внутрисхемные эмуляторы имеют индивидуальные вычислительные
ресурсы, средства ввода-вывода, не требуют для своей нормальной работы стыковки с
какими-либо внешними вычислительными средствами, но за это пользователю
приходится расплачиваться либо существенно более высокой ценой, либо пониженными
функциональными и сервисными возможностями по сравнению с аналогичными
моделями, стыкуемыми с IBM PC.
Обычно, стыковка внутрисхемного эмулятора с отлаживаемой системой производится
при помощи эмуляционного кабеля со специальной эмуляционной головкой.
Эмуляционная головка вставляется вместо микроконтроллера в отлаживаемую систему.
Если микроконтроллер невозможно удалить из отлаживаемой системы, то использование
эмулятора возможно, только если этот микроконтроллер имеет отладочный режим, при
котором все его выводы находятся в третьем состоянии. В этом случае для подключения
эмулятора используют специальный адаптер-клипсу, который подключается
непосредственно к выводам эмулируемого микроконтроллера.
Как минимум, эмулятор содержит следующие функциональные блоки:
 Отладчик;
 Узел эмуляции микроконтроллера;
 Эмуляционная память;
 Подсистема точек останова.
Более продвинутые модели могут содержать дополнительно:
 Процессор точек останова;
 Трассировщик;
 Профилировщик (анализатор эффективности программного кода);
 Таймер реального времени;
Интегрированная среда разработки.
Интегрированная среда разработки - это совокупность программных средств,
поддерживающая все этапы разработки программного обеспечения от написания
исходного текста программы до ее компиляции и отладки, и обеспечивающая простое и
быстрое взаимодействие с другими инструментальными средствами (программным
отладчиком-симулятором, внутрисхемным эмулятором, эмулятором ПЗУ и
программатором).
Строго говоря, интегрированные среды разработки не относятся к числу средств отладки,
тем не менее обойти вниманием данный класс программных средств, существенно
облегчающий и ускоряющий процесс разработки и отладки микропроцессорных систем
было бы неправильно.
При традиционном подходе, начальный этап написания программы строится следующим
образом:
1. Исходный текст набирается при помощи какого-либо текстового редактора. По
завершении набора, работа с текстовым редактором прекращается и запускается
кросс компилятор. Как правило, вновь написанная программа содержит
синтаксические ошибки, и компилятор сообщает о них на консоль оператора.
2. Вновь запускается текстовый редактор, и оператор должен найти и устранить
выявленные ошибки, при этом сообщения о характере ошибок выведенные
компилятором уже не видны, так как экран занят текстовым редактором.
И этот цикл может повторяться не один раз. Если программа имеет большой объем,
собирается из различных частей, и подвергается длительному редактированию или
модернизации, то даже этот начальный этап может потребовать много сил и времени.
После этого наступает этап отладки программы и к редактору с компилятором
добавляется эмулятор или симулятор, за работой которого хотелось бы следить прямо по
тексту программы в текстовом редакторе.
Избежать большого объема однообразных действий и тем самым существенно повысить
эффективность процесса разработки и отладки позволяют т.н. интегрированные среды
(оболочки) разработки (Integrated Development Environment, IDE).
Работа в интегрированной среде дает программисту:
 Возможность использования встроенного многофайлового текстового редактора,
специально ориентированного на работу с исходными текстами программ;
 Диагностика выявленных при компиляции ошибок, и исходный текст программы,
доступный редактированию, выводятся одновременно в многооконном режиме;
 Возможность организации и ведения параллельной работы над несколькими
проектами. Менеджер проектов позволяет использовать любой проект в качестве
шаблона для вновь создаваемого проекта;
 Перекомпиляции подвергаются только редактировавшиеся модули;
 Возможность загрузки отлаживаемой программы в имеющиеся средства отладки,
и работы с ними без выхода из оболочки;
 Возможность подключения к оболочке практически любых программных средств.
 В последнее время, функции интегрированных сред разработки становятся
стандартной принадлежностью программных интерфейсов эмуляторов и
отладчиков-симуляторов.
Подобные функциональные возможности, в сочетании с дружественным интерфейсом, в
состоянии существенно увеличить скорость разработки программ для
микроконтроллеров и процессоров цифровой обработки сигналов.
Дизассемблеры MCS-51.
Дизассемблер предназначен для преобразования исполняемого кода
микроконтроллеров MCS-51 в текст программы на языке ассемблера.
Форматы входных данных: HEX, OBJ, BIN.
Работа производится с помощью системы меню.
Поддерживаются процессоры:
 8051/8031
 8052/8032
 80512/80532
 80(C)515/80(C)535
 80C517/80C537
 80C515A/80C535A
 80C517A/80C537A
 8035/8048/8041
 z80
а также их модификации.
Макроассемблер A51.
Ассемблер A51 совместим с ASM51 Intel для всего семейства микроконтроллеров Intel
8051. Ассемблер транслирует символическую мнемонику в перемещаемый объектный
код, имеющий высокое быстродействие и малый размер. Макросредства ускоряют
разработку и экономят время, поскольку общие последовательности могут быть
разработаны только один раз. Ассемблер поддерживает символический доступ ко всем
элементам микроконтроллера и перестраивает конфигурацию для каждой разновидности
Intel 8051.
A51 транслирует исходный файл ассемблера в перемещаемый объектный модуль. При
отладке или при включенной опции “Include debugging information” этот объектный файл
будет содержать полную символическую информацию для отладчика/имитатора или
внутрисхемного эмулятора.
Оптимизирующий кросс-компилятор C51
Язык C - универсальный язык программирования, который обеспечивает эффективность
кода, элементы структурного программирования и имеет богатый набор операторов.
Универсальность, отсутствие ограничений реализации делают язык C удобным и
эффективным средством программирования для широкого разнообразия задач.
Множество прикладных программ может быть написано легче и эффективнее на языке C,
чем на других более специализированных языках.
C51 - полная реализация стандарта ANSI (Американского национального института
стандартов), насколько это возможно для архитектуры Intel 8051. C51 генерирует код для
всего семейства микроконтроллеров Intel 8051. Транслятор сочетает гибкость
программирования на языке C с эффективностью кода и быстродействием ассемблера.
Использование языка высокого уровня C имеет следующие преимущества над
программированием на ассемблере:
 глубокого знания системы команд процессора не требуется, элементарное знание
архитектуры Intel 8051 желательно, но не необходимо;
 распределение регистров и способы адресации управляются полностью
транслятором;
 лучшая читаемость программы, используются ключевые слова и функции, которые
более свойственны человеческой мысли;
 время разработки программ и их отладки значительно короче в сравнении с
программированием на ассемблере;
 библиотечные файлы содержат много стандартных подпрограмм, которые могут
быть включены в прикладную программу;
 существующие программы могут многократно использоваться в новых
программах, используя модульные методы программирования.
Компоновщик L51
Компоновщик объединяет один или несколько объектных модулей в одну исполняемую
программу. Компоновщик размещает внешние и общие ссылки, назначает абсолютные
адреса перемещаемым сегментам программ. Он может обрабатывать объектные модули,
созданные транслятором C51, ассемблером A51, транслятором PL/M-51 Intel и
ассемблером ASM51 Intel.
Компоновщик автоматически выбирает соответствующие библиотеки поддержки и
связывает только требуемые модули из библиотек. Установки по умолчанию для L51
выбраны так, чтобы они подходили для большинства прикладных программ, но можно
определить и заказные установки.
Интегрированная среда проектирования µVision2 IDE
Основные характеристики:








Интегрированная среда проектирования (Integrated Development Environment)
µVision2 IDE включает Project Management, Source Code Editing и Program
Debugging, что существенно ускоряет разработку: во время редактирования
исходного кода можно сконфигурировать отладчик, а в процессе отладки откорректировать исходный код.
В режиме симуляции отладчик µVision2 Debugger моделирует всю систему команд
МК и симулирует всю периферию, позволяя провести тестирование прикладного
программного кода и исследовать различные конфигурации для оптимизации
аппаратной части проекта
Встроенный язык описания периферии для задания входных воздействий для
моделируемого устройства, диалоговые окна позволяют просмотреть и изменить
установки периферии
Точная симуляция сложных систем при подключении драйверов периферии,
определенных пользователем, осуществляется с помощью Advanced Simulation
Interface (AGSI)
Для тщательного тестирования систем, критичных с точки зрения безопасности,
служит анализатор эффективности кода Code Coverage, который осуществляет
статистический анализ исполнения программы
µVision2 Device Database автоматически конфигурирует средства разработки для
всех поддерживаемых МК, что практически исключает ошибки в установках и
сокращает время настройки
µVision2 IDE интегрирует дополнительные средства: VCS, CASE, CASE и
программирования FLASH, все детали конфигурации сохраняются в µVision2 project
Идентичный интерфейс пользователя для Target Debugger и Simulator сокращает
процесс освоения.
Набор инструментальных средств:






Project Management - управление проектами;
Device Database - интеллектуальная база данных;
Building Projects - автоматическая генерация проекта;
Source Code Editor - интегрированный редактор;
Integrated Utilities - средства, облегчающие создание проекта;
µVision2 Debugger - отладчик исходных текстов программ;
Раздел «Project Management»
Программный проект состоит из большого числа связанных друг с другом исходных
файлов, которые часто обрабатываются индивидуально. Например, часть файлов
подлежит С-компиляции, другие следует ассемблировать, а третьи требуют некоторой
специальной обработки пользователем. Здесь на помощь приходит Менеджер проекта,
который дает разработчику методику создания проекта из исходных файлов, различных
опций разработки и директорий. Проект в µVision2 может сгенерировать одну или
несколько target-программ, каждая из которых компилируется по индивидуальным
правилам. На основе исходных файлов создаются target-программы, объединенные в
группы Groups. При этом достигается простая интеграция различных исходных файлов в
проект.
Раздел «Device Database»
База данных содержит детальную информацию о всех устройствах, поддерживаемых
инструментальными средствами Keil. База данных поддерживает параметрический поиск
МК, удовлетворяющего специфическим требованиям. При выборе устройства из базы
данных все требуемые опции в проекте под управлением µVision2 устанавливаются
автоматически. Device Database содержит подробное описание конфигурирования и
ссылки на другие источники информации (data sheets, оценочные платы, эмуляторы).
Раздел «Building Projects»
µVision2 содержит встроенную утилиту make, которая используется для компиляции,
ассемблирования и линкования программ. При щелке на кнопку Build Target
осуществляется компиляция исходного файла. Ассемблер и компилятор автоматически
генерируют зависимости между файлами и добавляют их в проект. Благодаря этой
информации вновь обрабатываются только те файлы, которые претерпели изменения или
файлы, включающие измененные файлы. Во время компиляции и ассемблирования
µVision2 исходного файла, в окне Output Window появляется статусная информация,
сообщения об ошибках и предупреждения.
При двойном щелчке на сообщение об ошибке или на предупреждение происходит
переход к редактированию файла (при этом µVision2 продолжает обработку исходного
файла в фоновом режиме). Номера строк ошибок и предупреждений синхронизированы
и соответствуют факту после внесения исправлений в исходный файл. Для получения
справки о сообщении об ошибке следует выбрать сообщение и нажать клавишу F1. При
глобальной оптимизации µVision2 неоднократно компилирует исходный файл для
достижения оптимального использования регистров.
Все параметры проекта сохраняются в специальном файле, который содержит список
исходных файлов, командные строки компилятора, ассемблера, редактора, отладчика,
симулятора и утилиты make. При использовании этого файла компиляция и линковка
проекта происходят по нажатию одной клавиши.
Изменять настройки компиляции файлов, target-программ и групп можно через меню
Project -> Options for…
Раздел «Source Code Editor»
Интегрированный в µVision2 редактор значительно облегчает подготовку исходного
текста за счет многооконности, выделения синтаксиса цветом и исправления ошибок в
режиме диалога. Редактор настраивается на конкретный проект и в соответствии со
вкусами пользователя. Редактирование остается доступным и во время отладки
программы. Это создает все условия для быстрого тестирования и корректировки Вашего
приложения.
Раздел «Integrated Utilities»
µVision2 содержит мощные средства, облегчающие создание проекта:
 Source Browser - база данных программных символов для быстрой навигации по
исходному файлу;
 Find in Files - полный поиск во всех выделенных файлах;
 Tools Menu - утилиты других фирм из µVision2 IDE;
 SVCS - контроль версии программного обеспечения;
 PC-Lint - анализ синтаксиса исходного кода;
 Flash tool - утилиты загрузки flash-памяти;


Easy CASE - генерация кода при задании программы на уровне блок-схемы;
DAvE - автоматическая генерация программ и драйверов для периферии МК
Infineon.
Инструмент µVision2 Debugger
µVision2 Debugger фирмы Keil позволяет вести отладку исходных текстов программ,
написанных на С и ассемблере или в смешанном формате, сохраняет историю
трассировки и позволяет выбирать между симулятором, монитором и внутрисхемным
эмулятором.
 CPU & Peripheral Simulator - симулятор CPU и периферии;
 Performance Analyzer & Code Coverage - анализаторы производительности и
эффективности кода;
 Target Monitor - отладочный монитор;
 µVision2 Cx51 Target Debugger - интерфейс к отлаживаемому устройству через
драйверы AGDI;
 µVision2 C166/ST10 Target Debugger - поддержка начальной загрузки Bootstrap и
интерфейса OCDS/JTAG
 Breakpoints - точки останова;
 Debug Function Scripts - C-подобный язык для записи функций;
 Variables and Memory - просмотр областей памяти и регистров.
Утилита «CPU & Peripheral Simulator»
µVision2 Simulator - чисто программный продукт, который осуществляет отладку в
исходных кодах, симуляцию на уровне символов и отладку непосредственно на рабочей
плате - Target debugging. Моделируется вся система команд и все периферийные
устройства. Так, в µVision2 Simulator для C166/ST10 полностью поддержан MAC встроенный умножитель-аккумулятор.
Для просмотра и изменений установок периферии служат специальные диалоговые окна.
Симулятор полностью поддерживает периферийные устройства микроконтроллера
посредством специальных драйверов xxx.DLL.
Для симуляции аппаратной части МК 8051 Keil предлагает Advanced Generic Simulation
Interface (AGSI). AGSI является спецификацией API, расширяющей возможности симуляции
с помощью диалоговых настроек. Кроме AGSI DLL от третьих фирм поддержаны
распространенные МК: Philips 51MX, Dallas 390, Analog Devices, Atmel, Mentor M8051EW
В распоряжение пользователя предоставляется ряд окон, отображающих состояния
таймеров, портов, прерываний, сторожевого таймера, последовательного порта,
аналогово-цифрового преобразователя и т.д. Параметры этих устройств могут быть
установлены и изменены в соответствии с контекстом приложения. µVision2 Simulator
позволяет проводить пошаговую отладку программы, просматривая ее в окне Debug.
Трассировщик запоминает команды и позволяет их просматривать в окне Trace.
Изменение заранее заданных переменных отслеживает окно Watch. Последовательность
вызова процедур отображается в окне Call-Stack.
Утилита Performance Analyzer & Code Coverage
В µVision2 Debugger встроен анализатор производительности Performance Analyzer,
который фиксирует время исполнения программных модулей. Задавая список модулей
для анализа, пользователь получает диаграмму затрат времени на каждую часть
программы.
µVision2 Debugger позволяет также провести анализ эффективности кода Code Coverage,
локализуя части программы, к которым редко происходит обращение, что позволяет
удалить ненужный код.
Утилита «Target Monitor»
При отладке программ на плате в качестве интерфейса используется специально
сконфигурированный отладочный монитор, загружаемый в ОЗУ с помощью встроенного
начального загрузчика или прошиваемый в EPROM. Программа монитор обеспечивает
прямой интерфейс для отладчика/симулятора и легко настраивается на любой
микроконтроллер. При помощи монитора производится комплексная отладка
приложения на плате. В остальном же отладка ничем не отличается от режима
симуляции. Требования к ресурсам микроконтроллера со стороны монитора
минимальны.
Инструмент µVision2 Cx51 Target Debugger
В µVision2 Debugger для Cx51 интерфейс к отлаживаемому устройству осуществляется
через драйверы Advanced Generic Debugger Interface (AGDI). На сегодняшний день
существуют следующие драйверы:
 Monitor-51 - конфигурируемый монитор для отлаживаемого устройства, который
прошивается в ROM устройства (поставляется со многими оценочными платами);
 Monitor-390 - конфигурируемый монитор для Dallas contiguous mode;
 ISD51 - внутрисхемный отладчик для стандартных МК 8051;
 EPM900 - эмулятор/программатор для Philips LPC900;
 SmartMX DBox - эмулятор для Philips Smartcards;
Некоторые из МК подключаются к µVision2 Debugger также с помощью драйверов AGDI:
ChipCon CC1010, Cygnal 51Fxxx, Cypress USB, Infineon SLE66, SST FlashFlex51, Triscend E5;
Драйверы µVision2 AGDI доступны также для многих эмуляторов.
Раздел «Breakpoints»
µVision2 предлагает широкие возможности по заданию простых и условных точек
останова. Условием останова может быть или результат выражения или операция
обращения к ячейке памяти/ переменной (чтение, запись, доступ). Для редактирования и
просмотра параметров контрольных точек служит окно Breakpoint. Точки останова могут
остановить исполнение программы или запустить команду или сценарий отладчика.
Раздел «Debug Function Scripts»
Для автоматизации типовых операций, выполняемых при отладке, могут быть созданы
специальные командные файлы. Для ввода этих команд служит окно Command или окно
Toolbox. Кроме того µVision2 поддерживает C-подобный функциональный язык,
позволяющий генерировать:
Встроенные функции типа printf, memset, rand и другие
Сигнальные функции для моделирования аналоговых и цифровых входных/выходных
сигналов CPU
Функции пользователя для расширения возможностей команд и повторяющихся
операций
Раздел «Variables and Memory»
В распоряжении пользователя находятся окна для просмотра областей памяти Memory и
состояний регистров Register. С помощью окна Serial I/O становиться возможной
наглядная симуляция последовательного ввода/вывода. µVision2 предлагает несколько
путей для просмотра и изменения переменных и памяти:
 Поместить указатель мышки над переменной, чтобы посмотреть ее значение
 Использовать окно Watch для просмотра и изменения локальных и определенных
пользователем переменных
 Использовать окно Memory для просмотра и редактирования до 4-х массивов
памяти.